汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究设计【毕业论文】【汽车专业】

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1、编号 无锡 太湖学院 毕业设计（论文） 题目： 汽车防抱死制动系统的控制方法 仿真研究 信机 系 机械工程及自动化 专业 学 号： 0923084 学生姓名： 蒋 耀 指导教师： 陈炎冬 （职称： 讲师 ） （职称： ） 2013 年 5 月 25 日无锡 太湖学院本科毕业设计（论文） 诚 信 承 诺 书 本人郑重 声明：所呈交的毕业设计（论文） 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的成果，其内容除了在毕业设计（论文）中特别加以标注引用，表示致谢的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人、集体已发表或撰写的成果作品。 班 级： 机械 92 学 号：

2、0923084 作者姓名： 2013 年 5 月 25 日 I 无锡 太湖学院 信 机 系 机械工程及自动化 专业 毕 业 设 计论 文 任 务 书 一、题目及专题： 1、题目 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 2、专题 二、课题来源及选题依据 随着世界汽车工业的迅猛发展，汽车行驶速度的提高，汽车行驶安全性能越来越受 到人们的重视，而汽车的紧急刹车往往造成汽车的侧翻而对驾驶员造成伤害， ABS 系统就是在这种要求下产生和发展的，它是提高汽车制动安全性的又一重大进步。但是由于电子元件的故障导致 ABS 故障率也相对较高，使之不能正常的工作，给行车带来了极大安全隐患。本课题主要研究 ABS 在

3、控制系统作用下进行增压，保压，降压操作从而将滑移率控制在一定范围内，保证车辆在刹车过程中的安全性。 三、本设计（论文或其他）应达到的要求： 从实践中选题，了解 ABS 系统的意义； 学会搭建正确的车辆制动动力学模型； 学习 Matlab/simulink 相关知识，掌握其操作过程，学会用 simulink进行仿真； II 论文中的理论依据、所提出的观点、得出的结论无原则性错误； 能对四分之一车辆模型进行正确的受力分析； 所完成的论文工作量满足要求，格式正确、规范。 四、接受任务学生： 机械 92 班 姓名 蒋 耀 五、开始及完成日期： 自 2012 年 11 月 12 日 至 2013 年 5

4、 月 25 日 六、设计（论文）指导（或顾问）： 指导教师 签名 签名 签名 教 研 室 主 任 学科组组长研究所所长 签名 系主任 签名 2012 年 11 月 12 日III 摘 要 为了能够准确的了解制动防抱死系统的性能，常常使用计算机仿真技术来进行研究，本设计采用 Matlab/Simulink 模拟汽车在直线制动的运动状态，对 ABS 系统的控制规律进行计算机仿真。它与常规的试验分析相比，具有分析速度快、精度高、周期短、节省大量的人力物力的优点。 ABS 防抱死制动系统模型的建立，是计算机与生产实际相融合的产物。模型的建立，可以代替危 险性试验，提高安全性和经济性，同时可以方便快捷的

5、得到试验所得到的结果，以此完善设计开发中的产品性能，为 ABS 系统的研制与开发提供一条有效的方法。 本设计简单介绍了制动系统的工作原理，通过建立普通制动系统和 ABS 防抱死系统的数学模型，提出了基于路面附着系数的 ABS 控制算法，并根据数学模型，利用Matlab/Simulink 软件建立普通制动系统和 ABS 防抱死制动系统的仿真模块， 分析普通制动系统和装有防抱死制动系统 (ABS)车辆制动过程中各参数的动态变化规律 。通过对比仿真结果可知 ABS 防抱死制动系统不仅能够达到防 止车轮在制动过程时抱死的目的，还能准确控制车轮的运动状态，因此证明本次设计 对 ABS 制动过程的仿真分析

6、是有效的。 关键词 ： 制动；防抱死制动系统；仿真； Matlab/Simulink IV Abstract In order to accurately understand the anti-lock braking system performance, often using computer simulation technology to conduct research. This design uses Matlab / Simulink simulation of the car braking in a straight line movement, the ABS sys

7、tem of control of a computer simulation. Compared with the common experimental analysis,it has fsater analsing speed, higher precision, shorter period, etc. besides, it saves much labor and material resources. The establishment of antilock brake systems is the result of the combination of computer a

8、nd actual production. Model of antilock brake systems can take place of the dangerous experiments,improve the safety and save much money. At the same time, it helps get the result as soon as possible. So that the function of the product can be made better. in a word, it provides an effective method

9、to the reserch and development of the antilock braking system. The project briefly introduces the principles of the braking system .It gets antilock braking system controlling algorithm according to the establishment of ordinary braking system and methematical antilock braking system. On the basis o

10、f methematical model, it uses Matlab/Simulink software to eatablish a simulate template of an ordinary braking system and an antilock braking system to analyses the motional changing regularity of kinds of parameters of vehicle which installed with ordinary braking system and the vehicle with antilo

11、ck braking system. When the results are compared, we get to know that antilock braking system can not only prevent the wheels form been braken while braking, but also controll the moving condition of them. So that this design of the braking processs simulation analysis is effective. Key words： brake

12、； antilock braking system； simulation； Matlab/Simulink V 目 录 摘 要 . III ABSTRACT . IV 目 录 . V 1 绪论 . 1 1.1 课题研究的意义 . 1 1.2 研究内容 . 1 2 防抱死制动系统概述 . 2 2.1 汽车防抱死制动系统 ABS 的功能 . 2 2.2ABS 制动系统研究的理论状态 . 2 3 防抱死制动系统基本原理 . 4 3.1 制动时汽车的运动 . 4 3.2 滑移率定义 . 6 3.3 滑移率与附着系数的关系 . 7 3.4 制动时车轮的受力分析 . 8 3.5 采用防抱死制动系统的必要

13、性 . 10 3.6 防抱死制动系统基本工作原理 . 11 3.7 ABS 控制技术及发展现状 . 12 4 基于 MATLAB 软件的仿真分析 . 15 4.1 计算机仿真 . 15 4.1.1 计算机仿真的分类 . 15 4.1.2 Matlab 及 Simulink 的简要介绍 . 15 4.2 制动方 程建立 . 18 4.2.1 盘式制动器制动力矩的计算 . 18 4.2.2 车轮模型的动力学方程 . 20 4.3 在 MATLAB 中建立无 ABS 制动的模型 . 24 4.4 在 MATLAB 中建立汽车 ABS 制动模型 . 26 4.4.1 开关控制的 ABS 系统仿真 .

14、26 4.4.2P I D 控制的 ABS 系统仿真 . 28 4.4.3 门限控制 ABS 的系统仿真 . 30 4.5 MATLAB 仿真的参数及结果 . 31 4.5.1 仿真参数 . 31 4.5.2 无 ABS 的仿真结果 . 32 VI 4.5.3 开关控制 ABS 的仿真结果 .34 4.5.4 PID 控制 ABS 的仿真结果 .36 4.6 不同情况下的组合分析 .38 5 总结 与展望 .41 总结 .41 展望 .41 致 谢 .42 参考文献 .43 附录 .44 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 1 1 绪论 1.1 课题研究的意义 对车辆的制动过程进行动态 的分

15、析 研究 ,可以分析 出 车辆的性能 ,帮助 车辆的设计 ,采用实验的方法虽然可以获准确的数据 。 但成本大 ,周期长 ,盲目性大 。 计算机仿真技术的发展为车辆制动过程的研究提供了一个有效手段。通过对车辆制动过程全工况动态仿真 ,可仿真实际情况中影响车辆制动过程主要因素 ,为进一步优化车辆的制动系统、缩短新产品的开发周期提供有利的工具。 1.2 研究内容 对汽车制动 过程进行 受力分析，建立 单轮 车辆制动过程的动力学数学模型 ，通过对车辆制动过程全工况动态仿真， 来模拟分析 实际情况中 汽车 制动性能与各相关参数之间的关系 ， 分析制动过程的特点，得出相关结论和对仿真结果进行处理 ，模拟出

16、配备防抱死制动系统，简称 ABS 的汽车动态制动过程。 比较分析影响制动过程的因数： 1.有 ABS 与无 ABS 两种情况下的 比较 2.有 ABS 不同控制方法程比较 根据以上 二 种情况对汽车 刹车制动 过程进行仿真，比较各种 不同 情况下汽车的制动距离 ，滑移率 ， 车速轮速的关系 得出结论。 无锡太湖学院学士学位论文 2 2 防抱死制动系统概述 2.1 汽车防抱死制动系统 ABS 的功能 ABS是根据不同 的转差率轮胎附着力性能的地 面 控制制动力的汽车制动系统。汽车制动的过程中 ,它可以防止车轮制动锁发生 ,并充分利用地面附着系数和增益高的地面制动力 ， 减少汽车制动距离 ， 并能

17、保持汽车制动器在处理。这项技术在提高车辆安全 ， 减少交通事故损失和提高汽车运行的经济发挥了积极作用 ， 是一种最重要的安全技术在汽车行业 。 ABS 防抱死制动装置就是为了防止缺陷的发生而研制的装置，它有 包括下面 几点好处： 1.增加制动稳定性 2.防止方向失控、侧滑和甩尾 3.提高制动效率，缩短制动距离（松软的沙石路面除外） 4.减少轮胎磨损，防止爆胎。 现代轿车的 ABS 由输入传感器、 控制电脑、输出调制器及连接线等组成。输入传感器通常包括 四 个车轮的轮速信号、刹车信号，个别车型还有减速度信号、手刹车或车油面信号。 第一个优势是提高 ABS汽 车制动稳定性。汽车制动 ,刹车力的四个

18、轮子是不一样的 ,如果汽车前轮锁 ,汽车司机将无法控制行驶方向 ,这是非常危险的 ,如果汽车的后轮锁 ,第一张幻灯片 ,摇摆的尾巴就会出现 ,甚至使汽车整个把严重的事故。 ABS能防止四个轮子是完全锁当制动 ,提高汽车的稳定性。汽车制造商的研究数据表明 ,车辆配备 ABS,会使车轮侧滑事故下降了约 8%。 ABS第二个优势 是 ,可以缩 短制动距离。这是由于紧急制动在同等条件下 ,ABS滑移率会(汽车滑动距离、传动比 )控制在 20%左右 ,可以获得结果的最大纵向制动力。 第三利用 ABS是改善磨损条件的轮胎 ， 以防止井喷。事实上 ， 方向盘锁会导致小轮胎磨损 ,轮胎胎面损失将不均匀 ， 使

19、轮胎消耗费用的增加 ， 严重时将无法继续使用。因此 ,配有 ABS具有一定的经济效益和安全 。 此外 ， ABS 使用 方便 ,工作可靠。使用 ABS 和普通制动系统使用几乎没有差异 ， 紧急刹车时 ,只有脚踩刹车踏板硬、 ABS 将进入工作状态根据情况 ， 即使雪和湿滑的道路、 ABS将保持制动状态最佳。 ABS 通 过计算机控制车轮制动力 ， 可以充分发挥效率的制动和改善制动减速和缩短制动距离 ， 能有效地提高车辆制动的稳定性 ， 防止车辆侧滑和旋转 ， 减少交通事故发生的数量 ， 因此被认为是最有效的措施 ,提高汽车的安全性。高级汽车的 ABS已经和公交已经在国内外广泛使用。 2.2AB

20、S 制动 系统研究的理论状态 研究 ABS 在中国 从 80 年代初开始。单位和企业从事的工作是开发了很多 ABS,如东风汽车公司、重庆高速公路研究所、大学西安市公路、清华大学、吉林大学、北京理工大学、上海汽车制动器有限公司和山东中国重汽集团等。典型的有以下几个。清华大学国 家重点实验室等汽车安全与节能宋健几个博士生导师、教授 ,拥有强大的技术力量 ,他们也有一批先进的仪器和设备的配套 ,如汽车力学参数综合试验台 ,弹射式冲击试验床和滚动试验台 ,模拟和校准试验台 ,柯达高速图像运动分析系统、电液振动台 ,直流电力测功机和发动机排放分析仪、工况的发动机电子控制系统开发和仿真、计算机工作站和亚当

21、斯 ,软件思想 ,非接触式速度计、噪声测试系统、转鼓试验台、电动汽车电池测试 ,电机试验台及其控制系统等。汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 3 实验室研究 ABS 制造各种各样的 ,其中 ,ABS 控制量 ,不同的轮速信号抗干扰处理 ,轮速信号响应的研究指出 ,防抱死制动电磁阀动作的研究在国内的领先地位 车动态模拟国家 重点实验室的吉林大学为代表的四个院士 ,研究人员致力于汽车操纵稳定性、汽车轮胎、汽车操纵动力学模型、汽车轮胎稳态和非稳态回转特性研究 ,在轮胎力学模型中 ,车辆操纵稳定性和人 -车闭环控制仿真运动的结果已达到世界先进水平 。 中国南方学院技术学院的交 通为代表的吴教授豪佳女

22、士从事汽车安全与电子技术和结构设计和计算的研究 ,在一个独特的特性是 ABS技术 ,建立制动压力函数 ,通过地面轮制动力和车辆动力学方程来计算平均汽车制动减速 ,车的速度 ,还可以通过计算轮缸等效 应力函数的防抱死制动滑移率时。此外 ,在滑移率之间的关系和粘附系数、车辆技术条件和试验方法有独特的见解。 济南程军电子科技 公司为代表的 ABS专家程军、济南程军电子科技公司的 ABS控制算法研究 ,作者理论与实践的汽车防抱死制动系统 (如几本书，特别是在 ABS控制算法，是国内 ABS开发者的一个必要的信息。此外 ,他们都是基于仿真环境 MAT2LAB防抱死控制逻辑 ,基于 VB开发环境对车辆处理

23、的仿真研究 ,仿真车辆动力学控制方面进行了研究。 重庆形状的产品包 括汽车、摩托车系列 JN111FB空气制动电子单通道 ,JN144FB空气制动电子四通道和 JN244FB液压电子设备如类型的 ABS及其相关零部件 30多个品种 ,ABS产品已通过国家汽车质量监督检测中心和认定的国家客车质量监督检验中心、国家实用新型技术专利 ,并正式列入国家火炬计划项目。西安市 BoHua公司主要产品适用于大中型客车及卡车的四通道气压 ABS和适用介质货车液压三通道 ABS及其相关组件。包括 BH1203 - FB型 ABS和 BH1101 - FB型 ABS通过了科技成果鉴定陕西省科学技术委员会和机械行业

24、新产品鉴定的陕西省 ,认为该技术已达到国内领先水平 。 山东重汽集团引进国 际先进技术进行的研究也已取得了一些进展。 重庆公路研究所研制的适用于中型汽车的气制动 FKX - ACI 型 ABS 装置已通过国家级技术鉴定 ,但各种制动情况的适应性还有待提高。 清华大学开发的适 用于介质客车空气制动 ABS由于资源价格和性能优势 ,应用陶瓷材料将迅速扩大 ,应用金刚石、立方氮化硼超硬材料将进一步扩大 ,新的刀具材料的交货时间会越来越短 ,品种新品牌的推出将越来越快。人们希望两高速钢 ,硬质合金强度和韧性 ,硬度和耐磨性的超硬材料的新的刀具材料是完全可能的 。 无锡太湖学院学士学位论文 4 3 防抱

25、死制动系统基本原理 3.1 制动时汽车的运动 3.1.1 制动时汽车受力分析 汽车在制动的过程中主要受到地面给汽车的作用力、风的阻力和自身重力的作用。地面对汽车的作用力又分为 :作用在车轮上垂直于地面的支承力和作用在车轮上平行于地面的力。汽车在直线行驶并受横向外界干扰力作用和汽车转弯时所受到地面给汽车的力如图3.1 所示。其中 Fx为地面作用在每个车轮上的地面制动力，他的大小决定于路面的纵向附着系数和车轮所受的载荷。所有车轮上所受地面制动力的总和作为地面给汽车的总的地面制动力，他是使汽车在制动时减速并停止的主要作用力。 Fy为地面作用在 每个车轮上的侧滑摩擦力，侧滑摩擦力的大小取决于侧向附着系

26、数和车轮所受的载荷，当车轮抱死时，侧滑摩擦力将变得很小，几乎为零。汽车直线制动时，若受到横向干扰力的作用，如横向风力或路面不平，汽车将产生侧滑摩擦力来保持汽车的直线行驶方向，如图 3.1（ a）所示。 图 3.1 汽车直线和转弯制动时的平面受力简图 若汽车在转弯时制动或在制动时转弯，也将产生侧滑摩擦力使汽车能够转向，如图 3.1 (b)所示。地面制动力决定制动距离的长短，侧滑摩擦力则决定了汽车制动时的方向稳定性。这里将作用在前轮上的侧滑摩擦力称为转弯力，将 作用在后轮上的侧滑摩擦力称为侧向力。转弯力和汽车的方向操纵性有关，它保证了汽车能够按照驾驶员的意愿转向 ；侧向力和汽车的方向稳定性有关，它

27、保证了汽车的行进方向。转弯力越大，汽车的方向操纵性越好 ；侧向力越大，汽车的方向稳定性越好。 正如上面提到的 ,应用适当的制动 ,可以有效地把车停下来。制动强度太大 ,是汽车的主要原因有各种危险的运动状态。因此 ,汽车 ,根据冰雪路、坏路、水、湿路 ,干路 ,直路 ,弯曲的道路 ,道路状况 ,如根据车辆的速度和方向角的驾驶条件操作 ,必须刹车 ,注意不要让车轮锁 。 3.1.2 车轮抱死时汽车运动情况 车轮抱死时汽车所受到的侧滑摩擦力将会变的很小，这将使汽车制动时保持方向操纵性和方向稳定性的转弯力和侧向力变的很小，使汽车在制动时出现一些危险的运动情况。汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 5

28、对 ABS 系统来说，就是要防止这些危险情况的出现。下面从汽车在一种路面上直线和转弯制动两方面简单讨论一下当车轮抱死时汽车的运动情况。 （ 1） 汽车在一种路面上直线运动制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 3.2 所示。图 3.2 (a)为只有前轮抱死时，由于前轮的转弯力基本为零，无法进行正常的转向操作。为制动时前轮全部抱死而后轮不抱死汽车的运动情况示意，当前轮抱死时转弯力 为零，驾驶员无法控制汽车的方向使汽车转向来避让前方的障碍物，这时由于汽车后轮不抱死，所以汽车仍具有侧向力来维持方向稳定性。图 3.2 (b)为只有后轮抱死时，后轮的侧向力接近于零，汽车仍具有方向操纵性，但会因后轮抱死而失

29、去方向稳定性使汽车侧滑。汽车不能保持原来的行驶方向，由于离心力和前轮转向力的作用，汽车将一面旋转一面沿曲线行驶(这种运动叫外旋转 )。图 3.2 (c)为前后车轮全部抱死时时转弯力和侧向力都为零，这种状态很不稳定，路面不均匀、左右轮地面制动力不相等时，即使对汽车施加很小的偏转力矩，汽车就会产生不规 则运动而处于危险状态，在不规则旋转的过程中将制动释放，汽车就会沿着瞬时行驶方向急速驶出，这也是很危险的 。 （ 2） 汽车在一种路面上转弯制动车轮抱死时可能出现的运动情况如图 3.3 所示。所有这些运动情况若在制动时出现，都是极其危险的。 图 3.2 汽车直线制动车轮抱死时的运动情况 无锡太湖学院学

30、士学位论文 6 图 3.3 汽车转弯制动车轮抱死时的运动情况 3.2 滑移率定义 通常 ， 汽车在制动过程中存在着两种阻力 ： 一种阻力是制动器摩擦片与制动鼓或制动盘之间产生的摩擦阻力 ， 这种阻力称为制动系统的阻力 ， 由于它提供制动时的制动力 ,因此也称为制动系 制动力 ； 另一种阻力是轮胎与道路表面之间产生的摩擦阻力 ， 也称为地面制动力。地面对轮胎切向反作用力的极限值称为轮胎 - 道路附着力 ， 大小等于地面对轮胎的法向反作用力与轮胎 - 道路附着系数的乘积。如果制动系制动力小于轮胎 - 道路附着力 ，则汽车制动时会保持稳定状态 ， 反之 ， 如果制动系制动力大于轮胎 - 道路附着力

31、， 则汽车制动时会出现车轮抱死和滑移。 地面制动力受地面附着系数的制约。当制动器产生的制动系制动力增大到一定值 (大于附着力 )时 ,汽车轮胎将在地面上出现滑移。汽车的实际车速与车轮滚动的圆周速度之间的差异称为车轮的滑移 率。 滑移率 S的定义式为 : tttb VrwV VVS 10 （ 3.1） 错误 !未找到引用源。 式中 : Sb 滑移率 ； Vt 汽车的理论速度 (车轮中心的速度 ) ； 汽车车轮的角速度 ； r 汽车车轮的滚动半径。 由上式可知 :当车轮中心的速度 (即汽车的实际车速 ) Vt 等于车轮的角速度 和车轮滚动半径 r 乘积时 ,滑移率为零 ( Sb = 0) ,车轮为

32、纯滚动 ；当 = 0 时 ,Sb = 100 % ,车轮完全抱死而作纯滑动 ；当 0 Sb 100 %时 ,车轮既滚动又滑动。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 7 3.3 滑移率与附着系数的关系 图 3.4 给出车轮与路面纵向附着系数和横向附着系数随滑移率变化的典型曲线。当轮胎纯滚动时 ,纵向附着系数为零 ；当滑移率为 15 % 30 %时 ,纵向附着数达到峰值 ；当滑移率继续增大 ,纵向附着系数持续下降 ,直到车轮抱死 ( Sb = 100 %) ,纵向附着系数降到一个较低值。另外 ,随着滑移率增大 ,横向附着系数急剧下降 ,当车轮抱死时 ,横向附着系数几乎为零。从图可以看出 ,如果能

33、将车 轮滑移率控制在 15 % 30 %的范围内 ,则既可以使纵向附着系数接近峰值 ,同时又可以兼顾到较大的侧向附着系数。这样 ,汽车就能获得最佳的制动效能和方向稳定性。 ABS 即是基于这一原理而研制的。 图 3.4 滑移率与附着系数关系 实验证明，道路的附着系数受车轮结构、材料，道路表面形状、材料有关，不同性质道路其附着系数变化很大。图 3.5给出了不同类型路面上滑移率 -纵向附着系数之间的关系。 无锡太湖学院学士学位论文 8 图 3.5 不同路面上纵向、侧向附着系数与滑移率关系曲线 由图 3.5可以看出，各种路面上的变化的总体 趋势是一致的。滑移率和纵向附着系数之间的关系曲线随路面类型的

34、不同，出现峰值的滑移率的取值也会不一样，并且对应不同路面类型的滑移率 -纵向附着系数曲线在峰值附着系数后曲线下降的速度也不相同，在干燥的路面上下降的快些，在湿滑的路面上略微有些下降。一般干燥洁净的平整水泥、沥青路面纵向峰值附着系数高达 0.8-0.9，而冰雪路面的纵向峰值附着系数低至 0.1-0.2。如果这种差别随路面类型的不同变化比较明显，则在设计 ABS系统控制方法时，就必须考虑到随路面类型的不同而采取不同的控制目标和策略。若汽车在同一种类型路面上制 动时的初速度不一样，车轮的纵向附着系数和滑移率之间的关系曲线也会略有不同，制动时的车速越高，车轮的纵向附着系数越低。但在同一路面上以不同制动

35、初速度制动时车轮的附着系数 -滑移率关系曲线不会有太大变化。 简而言之 ,制动在路上 车 ,车轮附着系数和滑移率之间的非线性特性是主要因素，汽车制动性能。事实上，汽车制动过程是一个非线性变化过程和路面之间轮，轮附着系数与车轮运动状态变化的非线性过程，所以，汽车的制动过程是一种非线性制动过程。制动时汽车的制动系统通过改变车轮的运动 ,改变车轮的滑移率 ,形成整个制动过程的 非线性。 3.4 制动时车轮的受力分析 汽车在行驶过程中能够实施制动过程的本质原因是由于与轮胎接触的路面给相应车轮提供了路面制动力。路面制动力是使汽车制动并进行减速行驶的外力。但是路面制动力取决于两个摩擦副的摩擦力：一个是制动

36、器内制动器摩擦片与制动盘或者制动蹄与制动鼓之间的摩擦力 制动器制动力；另一个是轮胎与路面间的摩擦力 附着力（路面制动力）。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 9 图 3.6(a) 制动时车轮受力情况 图 2.6(a)为车轮在制动时的受力情况示意图，路面制动力可由下式确定： xbMFr （ 3.2） 式中 : xbF 路面制动力， N ； M 制动器摩擦力矩 , Nm 。 上式成立的先决条件是路面制动力不超过路面间的附着力。 制动器制动力相当于将汽车架离地面，并踩住制动踏板，在轮胎周缘沿切线方向推动车轮直至它能转动所需的力 ，可由下式确定： rMF （ 3.3） 式中 : F 制动器制动力，

37、 N 。 当制动踏板力较小，制动器摩擦力矩不大时，路面与轮胎之间的摩擦力 路面制动力足以克服制动器摩擦力矩而使车轮滚动。显然，车轮滚动时的路面制动力就等于制动器制动力，且随踏板力的增长而增长，如图 3.6(b)所示。但路面制动力是滑动摩擦的约束反力，它的值 不可能超过附着力，即： 图 3.6(b) 路面制动力，制动器制动力，以及附着力的关系 WFFxb (3.4) xbF max= F （ 3.5） 无锡太湖学院学士学位论文 10 式中 : F 路面附着力， N； W 车轮上的垂直载荷， N； 路面附着力系数。 图 3.6(b)路面制动力，制动器制动力，以及附着力的关系 当路面制动力达到附着力

38、时，车轮即将抱死不转而出现纯滑移现象。此时，如果继续增大制动器踏板力（或制动管路压力），制动器制动力将由于制动器摩擦力矩的增大而继续增长。但是，若作用在车 轮上的垂直载荷为常数，路面制动力达到附着力之后就不再增加。 由此可见，汽车的路面制动力首先取决于制动器制动力，但同时又受到路面附着力系数的限制，所以只有汽车具有足够的制动器制动力，同时路面又能提供足够高的附着力时，才能获得足够高的路面制动力，足够大的制动减速度和较小的制动距离。 提示：影响附着系数的因素很多，如路面的状况、轮胎的花纹、车辆的行驶速度、轮胎与路面的运动状态等。在诸因素中，车轮相对于路面的运动状态对附着力有着重要的影响，特别是在

39、湿路面上其影响更为明显。 3.5 采用防抱死制动系统的必要性 汽车运行在一条直线，紧急 制动突然 ,汽车轮锁和汽车线往前滑 ,还发出吓人的轮胎与地面之间的摩擦，车子终于停了。在日常生活中，每个人都可能会遇到这种现象。如果发生车祸，交通警察是在第一个痕迹总是检查汽车制动器 ,确定司机在事故中制动而采取了措施。然后测量制动距离 ,看看车辆制动效果好。当轮胎滑移率为 8% 8%，轮胎和她的脸摩擦 (附着力 )是最大的。如果轮胎滑移率太大 ,附着力减少相反。如果司机可以控制轮胎滑移率 ,所以它总是制动时 8% - 25%范围内 ,汽车将停车在较短的制动距离。 当车辆转向 ,如果车辆紧急制动 ,以 及直

40、线驱动轮锁将会出现的现象。因为轮锁、汽车汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 11 侧向附着力变成零 ,汽车轮胎侧向滑动 ,汽车能够控制方向的深度 ,这是非常危险的。车辆横向附着力和制动力之间的关系非常密切。当没有刹车前、后轮胎的滑动方向是零 ,那么车轮侧向附着力是最大的。司机一步动态制动踏板 ,随着增加制动力、轮胎滑移率增加 ,小横向附着力逐渐慢下来。最后 ,当轮胎滑移率为 100%,轮胎锁。这汽车侧向附着力几乎等于零。 ,把汽车 ,轮胎侧滑开始出现。在方向盘锁、方向盘已经不能工作 ,陷入这场困境的我们无法控制汽车的方向 ,前轮锁车只有最后停车沿着直线 ,只有后轮锁车终 于停止旋转的现象 ,

41、如果前轮和后轮锁、汽车侧边缘直接的最后一站。的各种状态是极其危险的 。当然技术熟练的司机在某种程度上能根据各种条件合理地操作制动，如采用点制动。可是一旦遇上紧急状态，大多数人都是一脚踏死制动踏板，使轮胎抱死为此。 司机不能做许多事 情 ,传感器将能够这样做。传感器数据排序、判断 ,到执行机构所需信息，这部分的工作电脑 ,它非常简单 ,根据指令执行的计算机操作，它也不会有什么大问题在机械结构。 ABS系统调整到每个车轮制动缸，制动液压力，以防止任何造成刹车过猛可能当车轮锁。当不再有可能锁车轮 ,然后 回到正常的压力。滑移率控制在一定的范围内。这样不但提高车辆交通的稳定性，提高车辆方向控制 ,缩短

42、制动距离 。 3.6 防抱死制动系统基本工作原理 ABS 系统是通过不 断变化的根据某些规则当制动压力的制动液不会产生车轮锁状态。这一变化过程的制动液压力实际上是 ABS 系统实施的过程控制方法。下面基于车轮加减速度逻辑门限控制方法来控制直线制动过程的单个道路为例 ， 简单 ， 基本工作原理 。 在汽车制动 ,如果 车轮锁滑 ,横向附着力车轮和路面之间将完全消失。如果只有前轮转向轮制动锁滑车轮滚滚 ,车辆将失去动力。如果只有后制动拥抱死亡滑 动和前轮轧、甚至小横向干扰力 ,也将有一个边车 (spin)现象。这些都是容易导致严重的交通事故。汽车制动时，因此，不希望锁车轮制动滑动，但希望这个车轮制

43、动器到边边滑动状态。 图 3.7 ABS的工作区域 通过实验 ,当汽车 车轮滑移率为 15% 15%,最大的附着系数之间的轮胎和路面。因此，为了充分发挥这种潜在轮胎与路面间的附着能力 ,ABS系统来实现速度控制车轮中心和切无锡太湖学院学士学位论文 12 线速度，保持滑动率在 15% 20%之间这个特性。 ABS工作领域的现代汽车 ABS ABS工作区域如图所示在制 动过程中 ,控制单元 (ECU)在 10到 12次 /秒的频率控制制动压力调节器 ” 增压压力保持一个救援 “ 制动压力调节回路 ,实现车辆在制动和车轮滑移率控制在纵向附着系数路面附近之间最大的理想滑动率在较窄的范围内 ,改善汽车的

44、制动性能和制动时的方向稳定性。为了实现这一目标 ,为汽车驾驶道路条件和实现不同的控制过程。目前 ,广泛采用逻辑阈值 ABS控制方法 ,即控制参数事先指定并设置相应的控制阈值方法 (用于汽车 ,在各种速度和路面条件下 ,通过反复试验获得的数据 ),当制动器将检测实际参数和 ECU设定阈值比较，及时控制制动过程。基于道路行 驶状况，控制过程 ,对制动 ABS可以分为： 汽车高附着系数的路面和低附着系数路面附着系数的路面突变由高到低附着系数路面等三种制动控制过程。 逻辑门限控制方法 ， ABS控制参数 ： 轮减速 (或角减速 )、加速度 (或角加速度 )和车轮滑移率。轮减速和加速通过轮速传感器输出信

45、号从 ECU通过车轮滑移率在实际大多数是 ABS制动过程 ,当车轮的减速控制阈值集的瞬时近似实施控制的 ABS轮速的初始速度 ,并遵循斜率近似集在任何时间的过程中计算确定制动速度 (参考速度 ),计算出参考速度和轮速度在任何时刻的过程中制动轮参考滑移率是用于 ABS制动过 程控制。轮在 ABS控制 ,如何加、减速度阈值阈值和滑移率、各种综合控制参数。单独使用任何一种阈值参数有显著的限制来控制。例如 ： 轮只是加、减速度作为控制阈值 ， 当汽车在高速公路上低附着系数在紧急制动 ,由于制动驱动轮减速达不到控制阈值、 ABS将无法控制轮 ,因此会有一个锁现象 ； 如果只车轮滑移率作为控制阈值 ， 由

46、于汽车在不同的路面情况 ， 纵向附着系数最大的速度变化范围大的滑移 (8% - 30%)， 因此只有通过滑动率的固定阈值法作为控制阈值 ,很难保证各种道路条件下可以获得最佳的制动效果。 ABS轮更常用的加 ， 因此 ， 进行全面的控 制速度和滑动率阈值方法 ， ABS具有较高能力的自动自适应控制 ， 确保条件下的各种道路条件和道路表面 的制动安全。 3.7 ABS 控制技术及发展现状 控股制动系统是一个典型的反馈控制过程。如果车辆系统为控制对象 ,车轮速度传感器作为检测元件的反馈量 ,保持制动系统的基本原理和功能 ,预防、控制和调整制动管路压力 ,控制和调整制动器摩擦制动转矩 ,使道路制动功率

47、的最大值 ,即使车轮滑移率是 15% 25%范围内 ,以确保制动有高附着系数利用率的过程中 ,为了提高制动效率 ,满足制动性能的综合要求 ,即制动距离短 ,横向稳定性好 ,良好的 转向控制 ,保证汽车制动有足够高的安全与舒适。 汽车控股制动系统逻辑发展到现在 ,各种形式的逻辑。因为没有一个统一的逻辑质量评价指标 ,只能根据实验结果进行比较 ,以及各种条件逻辑设计和优化 ABS 带来了很大的不便。在这之前有许多人进行了研究 ,有逻辑阈值控制、 PID 控制和滑模变结构控制、模糊控制、开关控制。 逻辑门限控制 ， 是一个典型的基于逻辑门限控制方法 ， 它是一个控制方法、历史最悠久的使用是汽车 AB

48、S 控制方法所采用的一般。一些参数的阈值方法被用来控制 ， 即根据轮加、减速和参考滑移率限制的增压、减压、压力控制、车轮滑移率 的最优滑移率附近波动。是一种有效的控制方法对非线性系统。该方法系统的可靠性和控制参数少 ， 成分简单 ， 但汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 13 是控制参数的调整需要更多的经验 。 PID 控制 ,该方法是基于滑移率 ， 甚至实际滑移率控制在最优滑移率点或接近它。理论上 ,这个系统是最好的 ， 但它的实现是困难的 ， 尤其是在最佳滑移率点不容易确定 ， 因此理论研究和仿真工作更多 ， 但是没有实际的系统控制。 滑模变结构控制 ,基于经典控制理论的数学控制的控制是

49、一类特殊的非线性控制方法 ，该方法根据系统状态 ， 偏差的导数值 ,不同的控制区域 ,在一个理想的方法来切换控制音量的大小 ， 使系统在 开关线相邻区域来回运动 ， 使系统领域内的滑动曲线非常小在滑动沿着在节曲线。 模糊控制方法 ,它是一种模仿人类的思维方式和控制经验 ， 介绍经验的正规和控制过程 ,用严格的数学处理 ,实现模糊推理、判断决策 ,以达到令人满意的结果。它首先将数字量的精确的模糊集隶属函数 ， 然后根据模糊控制规则发展的控制器 ， 模糊逻辑推理 ， 得到模糊输出隶属函数 ， 根据推理为隶属函数 ， 并使用不同的方法来找到一个精确值的代表作为控制量 ， 添加到控制执行机构。 在上面

50、的几种控制方法 ， 逻辑阈值控制方法是一种控制方法 ,历史最悠久的使用是汽车 ABS控制方法所采用 的一般 ， 这是一种控制模式经验的基础上 ,它使用一些参数 (如加、减速度 )控制阈值的方法 ， 并把一些辅助阈值 ， 它是一种有效的非线性系统控制方法。这种控制方法的优点是 :首先 ,它不涉及使用特定的控制数学模型 ， 从而消除了大量的数学计算 ， 并且可以提高系统的实时响应 ， 使军备控制复杂的非线性问题简化 ； 第二 ， 它需要更少的控制参数 ， 特别是消除了速度传感器 ， 该系统结构简单 ， 成本大大降低 ； 此外 ， 它的执行机构是相对容易实现。其缺点是系统控制逻辑比较复杂 ， 控制不

51、稳定 ， 控制系统在不同的阈值方法是经过反复试验获得的经验数据 ， 尚未完全根据这一理 论 ， 并完成 ABS装置与逻辑阈值方法对穷人兼容性的各种模型。当使用这种控制方法对模型开发新 ABS装置 ， 需要更多的时间和大量的实验来确定和调整控制逻辑和控制参数 ,以达到最佳的制动效果 。 滑模变结构方法的理论 ,具有很强的适应性 ,但滑动运动在剖面线开关抖动由于惯性的系统当叠加 ,所以在该方法应用到实际 ,必须首先解决抖动问题的系统。 最优控制方法非常成熟的理论 ， 它将车轮的角速度和角加速度作为状态变量 ， 优化控制系统 ,可以实现良好的理论上的制动性能。然而 ， 滑模变结构和最优控制是现代控制

52、理论的控制方法 ,其应用的成功 ， 关键在于 数学模型是正确的 ,事实上 ,几乎不存在或无法控制 ,动态模型的参数识别精度的模型本身就是问题 ， 关键的车辆分布 (如乘客装载质量和数量和位置 )在实践中也是可选的。和以获得所需的数学模型在相关控制参数和状态变量 ， 它们都需要准确的实时速度的确定车身的。在车辆制动速度 ， 然而 ， 不平等与车轮的转速、车轮速度来间接计算速度 ， 在实时性、准确性可以满足要求的两个控制方法。目前 ， 以满足需求的速度传感器 ， 因为它的成本是相对较高的 ， 不能使用。此外 ， 对于这两种控制方式的电动伺服机制也比较复杂 ， 因此降低了系统的可靠性 ， 采用了在实

53、践中 。 模糊 控制也是一种控制方法基于经验 ， 但其控制基于之前构建一个规则库 ， 同时有很多控制规则在规则库和隶属度 ,基于模糊推理和模糊 ,然后根据控制音量控制。所以 ,它可以保持各种复杂工作环境的特点建立了足够的经验规则 ,共同来控制汽车制动过程。因为每个规则只有一个特定形式的隶属度来影响最终的结果 ， 当外面的世界 ,当面对只有轻微无锡太湖学院学士学位论文 14 影响最终结果 ， 系统的鲁棒性好。并不是基于模糊控制模型 ， 这使得它特别适合解决非线性问题和复杂的系统。又因为它是一种控制 ,基于语言特点给机器可以把人们的思维、 ABS具有一定的智能 ,更能适应不断变化的环境 ,但模糊

54、控制的计算方法不是有效的一般 ， 只能依靠设计者的经验和多次调试 ， 还需要根据实验。 目前实际应用最广泛的和更有效的制动控制武器系统控制方法的逻辑门限控制 ， 该方法已在国外成熟 ， 一个非常有用的控制方法 。 因此 ， 有必要开发控制方法应用于制动控制系统。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 15 4 基于 MATLAB 软件的 仿真分析 4.1 计算机仿真 仿真 一个单词源自英语 “ Simulink” ,是真正的系统 (物理 )在不破坏的前提下 ,物理性质的一种合理简化和高度概括。仿真不仅是计算机应用的一个重要方面 ,近年来快速发展的一个新学科。 在 系统的分析设计过程中 ,除了使

55、用理论分析和计算进行了系统的实验研究 ,往往需要对系统的特点。这个实验的研究一般有两种 :一种是在实际的系统 ,另一个是在模型上。从安全、经济和可能性考虑许多方面 ,很难做实验在实际系统。所以在早期采用的模型试验。所谓模拟，就是使用系统模型结合实际或模拟环境条件进行研究，分析或实验方法。其目的是力求在实际系统建立，是近于实际的成果。通过仿真 ,可以是一个部分的绩效评估系统 ；试验一些新的系统的理论假设 ,等等。 4.1.1 计算机仿真 的 分类 根据系统模型的仿真系统仿真可分为物理模拟和 数值模拟。与物理模型来模拟实际的系统通常被称为物理模拟。在计算机和数字仿真试验进行了系统模型 ， 也称为计

56、算机仿真。对于一个真正的系统 ， 因为自己的复杂性 ， 很难用一个物理模型模拟。为了研究一些复杂的系统设计来创建一个物理模型通常需要一个沉重的代价 ， 周期长。 数字计算机仿真是解决困难的模拟计算机仿真。近年来 ,快速发展的数字集成电路技术 ,数字仿真的趋势日益明显。本文还使用在数字仿真。数字仿真通常使用以下三种方法 ： 第一个方法是模拟编程仿真本身。在使用这种方法 ,要求用户建立良好的系统数学模型。因此 ,这种 方法通常用于系统简单、仿真本身有一定的建模和编程能力。 第二种方法是数学模型由用户自己设置。选择一些常见算法图书馆系统是模拟的 ， 如在应用 Matlab Simulink 仿真。

57、第三种方法是选择专用仿真软件仿真。这个软件通常提供一个建模工具 ,用户只需要方式根据原理图仿真数据。专业软件自动建模和仿真输出结果。 显然第三的这三种方法是最简单的 ， 它只需要用户输入仿真数据 ， 但它的成本也增加了。第一种方法的缺点是 ,模型是更困难的 ， 模拟编程能力要求较高 。 4.1.2 Matlab 及 Simulink 的简要介绍 （ 1） Matlab 简介 Matlab是 MathWorks公 司 1982年推出高性能的数值计算和可视化软件 ,它集数值分析、矩阵运算、信号处理和图形显示于一体 ,构成了一个方便、界面友好的用户环境。 Matlab意味着矩阵实 验室 (矩阵实验室

58、 ),首先由解包和 EISPACK计划开发的 ,主要用于方便访问矩阵 ,是基本元素不必定义维度矩阵。经过多年的改进和扩展 ,已发展了线性代数课程标准工具 ,也是其他课程领域的实用程序。在工业环境中 ,Matlab是用来解决实际工程和数学问题。 Matlab 包括 称为 Toolsbox(装备 )的各种应用解决问题的工具。 Matlab 工具箱的实际上是扩展应用一系列的 Matlab 函数 (称为 M 文件 ),它可以 无锡太湖学院学士学位论文 16 用来解决这个问题的每一个特定的纪律 。 Matlab 软件的特点： 在 Matlab 环境下，用户可以方便地进行程序设计、数值计算、图形绘制、输入

59、输出、文件管理等各项操作。现将它的一些重要特色进行如下小结。 1.数值 与 符号 的 计算功能 强大 强大的计算、符号、形式和 规模的数值计算可以完成 ， 强大的矩阵运算能力和能力可以解决大问题的稀疏矩阵。 Matlab数值 计算功能包括矩阵运算、多项式、有理分式运算、数据分析、数值积分和优化等 。 2.语言 简单易学 Matlab除 了命令行交互操作 ,您也可以通过编程。可以很容易地使用 Matlab对 C或 Fortran语言几乎所有的功能 ,包括窗户的设计图形用户界面 ， 并且容易学习的编程语言。 Matlab强大的可扩展性 ， 用户可以编辑你的工具箱 。 3.图形功能 强大 Matla

60、b提供 了两个级别的图形命令行 :一个是低级图形图形命令语句；另一种是基于低级图形命令先进的图形命令。利用 MATLAB高级图形命令可以很容易地绘制 2 d、 3 d和 4 d图形，图形和坐标可进行精细控制，识别、视觉角度和灯光设计、色彩等等 。 4.应用工具箱 特色 Matlab应用程序工具 包分为基本的工具箱，工具箱，一般专业工具盒。基本工具 盒子有成百上千的内部功能 ,是核心部分。通用工具盒主要用于扩大其符号计算、可视化建模、仿真和文本处理功能等。专业工具盒专业性更强 ,如控制系统、电力系统、信号处理、神经网络、优化 ,如金融工具箱 ,用户可以直接使用该工具包 ,用于相关领域的科学研究。

61、 产品组是广泛应用于 Matlab,包括信号和图像处理、控制系统 设计、通信、系统仿真、和许多其他领域。开放的结构使它容易为一个特定的 Matlab 产品组扩大需求 ,不断深化理解的问题的同时 ,提高他们的竞争力。它允许用户设置完成指定功能 M文件 ,从而构成了一套适用于其他领域。对于一个工程师从事特定领域的工作 ,不仅可以使用函数和基本的工具箱提供的函数 ,运用 Matlab 编写 ,可以很容易地构造的特殊函数 ,从而大大延长了 Matlab的应用范围。 Matlab 主要产品构成有 :Matlab, Matlab Toolbox, Matlab Compiler, Simulink,Sta

62、teflow, Real-Time Workshop 等。 （ 2） Simulink 简介 仿真软件是 Mathworks公司开发的另一个著名的动态仿真系统 ,它是一个额外的组件的 MATLAB,为用户提供一个建模和仿真的工作平台。因为它的许多功能是基于 Matlab软件平台 ,必须运行在 Matlab的 Simulink,有人也叫 Matlab工具箱。它可以实现集成的动态系统的建模和仿真环境 ,并可以根据客户的要求设计和使用系统改造和优化 ,以提高系统的性能正在努力实现高效开发系统的目的。 仿真软件特点 :仿真软件的一种延伸和特性 ,Matlab软件是实现动态系统的建模和仿真软件包 ,其主

63、要区别在于用 Matlab语言 ,它与用户界面交互建模基于 Windows图形输入 ,它的优点是 ,用户可以将更多精力投入到系统模型的构建 ,而不是编程语言。建模图形输入是指仿真软件提供了一些基本功能模块分类功能的系统 ,用户只需要知道输入 /输出功能模块和汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 17 功能模块的功能 ,而不必检查内部是如何实现功能模块 ,通过调用这些工作基本功能模块 ,然后将它们连接在一起可以构成系统需要模型 ,从而实现系统仿真模型的分析和构建。 仿真软件来模拟线性和 非线性系统 ,连续和不连续系统 ,或者一个组合的系统 ,它是一个功能强大的工具为系统仿真。此外 ,它还提供了一

64、个图形 ,动画处理方法对用户观察整个过程的系统仿真。仿真软件的显著特点是快速 ,准确 ,对于更复杂的非线性系统 ,效果更明显。 仿真软件提供了一个功能原则 提供了一个功能 EIIaSimulink规则 - S函数。 S函数可以是一个 M文件 ,C语言程序 ,或其他高级语言程序。 Simulink模型或功能模块可以调用函数 ,通过一定的语法规则的年代。多亏有引入 S函数 ,使模型更完整、更强大的处理能力。 仿真软件的另 一个重要特性是它的开放性 ,它允许用户定制自己的功能模块和模块库。此外 ,仿真软件为用户提供了更全面的帮助系统 ,指导用户如何使用这些功能模块。 模型包含水槽 (输出 ),源 (

65、输入 ),线性 (线性 )和非线性 (非线性链接 ),连接 (连接与接口 )和额外的 (链接 )其他子模型库 ,每个对应的功能模块包括在模型库 ,用户还可以创建自己的模块。 用 Matlab 仿真软件集成在一起 ,用户可以在两种条件下的仿真 ,分析和修改该模型。 下图 4.1 为 Simulink 模块库界面截图： 无锡太湖学院学士学位论文 18 图 4.1 Simulink 模块库 界面截图 4.2 制动方程建立 4.2.1 盘式制动器制动力矩的计算 假设所有的摩擦表 面的线接触制动盘和均匀压力分布 ,所有单位将制动器的制动力矩为： RfFM 02 （ 4.1） 式中： f为摩擦因数；0F为

66、单侧制动块对制动盘的压紧力； R为作用半径。 普通的风扇表面的摩擦衬 块 ,如果它的径向宽度不 是很大 ,Rm或有效半径 R等于平均半径的再保险 ,实际上平均半径的 Rm有足够的精度 。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 19 图 4.2 单侧 的 制动块加于制动盘的制动力矩 如图 4.2，平均半径为 12( ) / 2mR R R （ 4.2） 式中，1R和2R为摩擦衬块扇形表面的内半径和外半径。 设制 动盘 与 衬块之间的单位压力为 p，则在 不同的 微元面积dRdR上的摩 擦力对制动盘中心的力矩为ddfpR R2，而 如图 4.1 单侧 的 制动块加 在 制动盘 上 的制动力矩应为

67、212 3 3212 ()23RRM f p R d R d f p R R （ 4.3） 单侧 的 衬块加 在 制动盘的总摩擦力为 21212220 RR RRfpd R df p RfF （ 4.4） 所以 有效 的 半径为 3321220 2 12 ( )2 3 ( )eRRMRf F R R （ 4.5） 可得 ，有效半径 Re就 是扇形表面的面积中心至制动盘中心距离。上式也可 以 写成 是 me RmmRRRRRRR 2212212111342134 （ 4.6） 无锡太湖学院学士学位论文 20 式中， m=R1/R2 因为 m1， m/(1+m)2Rm，且 m越小则两者差值越大。

68、应当指出，若 m过小，即扇形的径向宽度过大，衬块摩擦面上各不同半径处的滑磨速度相差太远，磨损将不均匀，因而单位压力分布均匀这一假设条件不能成立，则上述计算方法也就不适用。 m值一般不应小于 0.65。 制动盘工作面的加工精度应达到下述要求：平面度允差为 0.012mm，表面粗糙度为 Ra0.7 1.3 m，两摩擦表面的平行度不应大于 0 05mm，制动盘的端面圆跳动不应大于 0.03mm。通常制动盘采用摩擦性能良好的珠光体灰铸铁制造。为保证有足够的强度和耐磨性 能，其牌号不应低于 HT250。 方程 213132234RR RRfpd R df p RM在 MATLAB中的程序模块如下： 图

69、4.3 子系统 p Mu 模型 4.2.2 车轮模型的动力学方程 假设单论模型的质量为 m，车轮的转动惯量为 I，车轮的旋转角速度为 w，地面的制动力为 Fxb，作用于车轮的制动力矩为 Tu，假设向左为速度正方向，逆时针旋转方向为正，忽略 了 空气阻力和滚动阻力， 则有以下方程： XbdvmFdt （ 4.7） XbdwI F r Tdt （ 4.8） zbXb FF （ 4.9） 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 21 为了使问题进一步简化，可作如下假设： （ 1） 认为车轮抱死得很快，忽略其车速的降低； （ 2） 认为车轮载荷是一个常数， Fz = mg； （ 3） 如图所示，附着系数

70、随滑移率变化曲线近似的用两段直线段来表示，即 当 0bpSS时， bbppSS （ 4.10） 当 1pbSS时， ( 1 ) ( )1b p sbspSS （ 4.11） 图 4.4 附着力系数b随滑移率bS变化曲线 式（ 4.10），（ 4.11）在 MATLAB 中的程序模型： 无锡太湖学院学士学位论文 22 图 4.5 子系统bSb的模型 车身速度由下式确定： mFadd Xbjtv （ 4.12） dtavvj 0 （ 4.13） 车轮速度，即切线速度可由下式确定： ITrFdd Xbtw （ 4.14） dtITrFww Xb 0 （ 4.15） 由（ 4.12），（ 4.13）式

71、在 MATLAB 中的程序模型如下： 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 23 图 4.6 子系统 XbF v 的模型 由（ 4.14） ，（ 4.15）式在 MATLAB 中的程序模型如下： 图 4.7 子系统 XbF w 的模型 滑移率公式在 MATLAB 中的模型如下： 无锡太湖学院学士学位论文 24 图 4.8 子系统 v ， w bS的模型 4.3 在 MATLAB 中建立无 ABS 制动的模型 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 25 Tb5S4ub3sb2V1Vw0.25r10.25r4000mg3120W030V01000.01s+1Transfer FcnSwitchwv

72、SbSubsystem8Scope5Scope4Scope3Scope2Scope1Saturation1Saturation21K1sIntegrator31sIntegrator21sIntegrator11sIntegrator4.5Gain1-0.2*u(1)+0.936Fcn61.12Display1/4001/m1/771/I1P 图 4.9 无 ABS 装置的制动系统的汽车制动过程的模型 无锡太湖学院学士学位论文 26 4.4 在 MATLAB 中建立汽车 ABS 制动模型 4.4.1 开关控制的 ABS 系统仿真 开关控制模式曾经预期输出 的阈值设置 ,可以使输出的控制量使错误

73、减少的方向运动。汽车防抱死制动系统的汽车开关控制器的阈值是预期车轮滑移率 ,控制器的输入变量是车轮滑移率误差 ,预期的车轮滑移率和实际的不同的车轮滑移率 ： SbSbe 0 当车轮 的 滑移率误差 值 0e 时， 反应后 输出控制量 1u= 。 开关控制 ABS 系统模型如图所示 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 27 Tb0.25r10.25r4000mg3120W030V01000.01s+1Transfer FcnsbTo Workspace5ubTo Workspace4tTo Workspace3STo Workspace2VwTo Workspace1VTo Workspace

74、SwitchwvSbSubsystem8SignScope5Scope4Scope3Scope2Scope10.2Sb1Saturation1Saturation-K-K1sIntegrator31sIntegrator21sIntegrator11sIntegrator4.5Gain1-0.2*u(1)+0.936Fcn0DisplayClock1/4001/m1/771/I 图 4.10（ a）开关控制 ABS 模型 无锡太湖学院学士学位论文 28 图 4.10（ b）开关控制器子系统模型 4.4.2P I D 控制的 ABS 系统仿真 实现连续控制的 PID 控制是最简单的算法 ,它只需

75、要适当地设置比例、积分、微分系数。一个滑动率的设定目标 ,控制误差 ： SbSbe 0 则 PID 的控制规律可表示为 : tedtip ddke d tkeku 0 PID控制是一项成熟的技术在连续系统 ,使用最广泛的一种控制方 式。其最大的优点是不需要知道被控对象的数学模型 ,只要在线设置控制器参数根据经验 ,可以得到满意的结果 ,且易于实现。它的缺乏是控制对象参数变化敏感 ,控制对象和延时控制效果较差。简单的 PID控制器不能满足使用要求的 ABS所有条件 ,它必须具有的功能参数设置控制器在线。同时 ,选择 PID参数 Kp,Ki,Kd说还需要获得了很多检查 ,增加系统设计的难度。 汽车

76、 ABS PID 控制器设计归结为 :根据 ABS 系统 ,一组最优参数 Kp,Ki,Kd,最快的方式 ,使车轮滑移率为了接近目标设定 : 0 0.2Sb = 经过多次调试，得出参数 Kp=11111、 Ki=12 和 Kd=22 汽车 防抱死制动 系统 PID 控制的控制规律可 用方程 表示为 : tetdde d te 22121 1 1 1 10 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 29 PID 控制 ABS 系统模型如图所示 : Tb0.25r10.25r4000mg3120W030V01000.01s+1Transfer FcnsbTo Workspace5ubTo Workspa

77、ce4tTo Workspace3STo Workspace2VwTo Workspace1VTo WorkspaceSwitchwvSbSubsystem8eKp*eKi*eKd*eSubsystem5Scope5Scope4Scope3Scope2Scope10.2Sb1Saturation1Saturation21K1sIntegrator31sIntegrator21sIntegrator11sIntegrator4.5Gain1-0.2*u(1)+0.936Fcn0DisplayClock1/4001/m1/501/I 图 4.11（ a） PID 控制 ABS 模型 无锡太湖学院学

78、士学位论文 30 1P co n t r o l- K -m g 20 . 2S b 01sI n t e g r a t o r22G a i n 212G a i n 1- K -G a i nd u / d tD e r i va t i ve1S b 图 4.11（ b） PID 控制器子系统模型 4.4.3 门限控制 ABS 的系统仿真 门限控制 ABS 的系统对滑移率和角加速度 进行的是 反馈循环控制，在制 动过程中计算出瞬时的滑移率和角加速度数值， 进而 与 设定的两个 控制门限值进行比较，作为控制信号，及时实施相应的控制，使得车 速与轮速产生 的合理变化，从而 将 滑移率 控制

79、 在 20%左右，获得 轮胎与路面的 较高纵向 附着系数 和较高的侧向附着系数， 充分发挥轮胎与路面间的附着能 力 ，很好的降低了汽车的制动距离。 门限值 控制 ABS 系统模型如图所示 图 4.12（ a）门限控制 ABS 模型 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 31 图 4.12（ b）门限控制子系统模型 4.5 MATLAB 仿真的参数及结果 4.5.1 仿真参数 建立汽车动力学模型，为了简化模型 来 进行基本控制 策略的研究，在仅 进行 分析 ABS制动效果的前提下，进行如下的假设 : (1)车身 、 底盘与所 汽车 运载物体为 整体 ，汽车运动时 不产生 任何弹性形变 ； (2)

80、汽车轮胎没有任何形变 ； (3)轮胎和车轴连接只考虑转动特性 ； (4)路面 是绝对 平整 的； (5)车辆 进行 直线 行驶 ， 没有 偏转， 不产生 侧向运动 ； (6)每个车轮所 承受的力是完全 相等 的。 在以上 的一系列 理想情况的 前提 下 ，为方便研究 我们 在 这边 仅 对 四分之一的车辆模型进行研究分析。 我们 在使用 Simulink 软件 进行仿真时， 对 仿真结 果输出 有影响 的因素 包括 仿真 开始的时间、结束 的 时间和仿真步长。 正常情况下 来讲， 一般汽车 制动后 7s 内基本能停止下来，至此我们这边 初始时间 取 为 0s，结束 的 时间为 5.0s， 仿真

81、 的 步长 h可按下式计算 : 50f i n a l s t a r ttth -= 无锡太湖学院学士学位论文 32 表 4 1 单轮制动仿真参数 参数 符号 单位 数值 车轮质量 M kg 300 车轮动力半径 r m 0.25 车轮转动惯量 Iz kg*m2 50 初始车速 v0 m/s 30 初始角速度 w 0 Rad/s 120 制动压力 p Pa 摩擦衬块扇形表面内半径 R1 m 0.20 摩擦衬块扇形表面外半径 R2 m 0.15 摩擦衬块扇形圆角 rad 60/360 摩擦系数 f 0.8 干路面上峰值附着系数 p 0.75 S = 100%时制动力系数 s 0.6 时间及制动

82、时方向的稳定性 (本文由制动过程中的滑移率代替 )，所以本文也从这几个方面来分析。 4.5.2 无 ABS 的仿真结果 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 400 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91没有 ABS 控制时的滑移率图t ( s )Sb 图 4.15（ a） 无 ABS 滑移率 Sb 变化曲线 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 33 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4051015202530没有 ABS 控制时的车速与轮速之间的关系图t ( s )V/Vw (m/s)

83、 图 4.15（ b）无 ABS 车轮速度 wr，车身速度 v 变化曲线 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 400 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 8没有 ABS 控制时的附着系数曲线图t ( s )ub 图 4.15（ c） 无 ABS 路面 附着系数 Ub 变化曲线 无锡太湖学院学士学位论文 34 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 40102030405060没有 ABS 控制时的制动距离t ( s )S (m) 图 4.15（ d） 无 ABS 制动距离 S 变化曲线图 4.5.3 开关

84、控制 ABS 的仿真结果 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 400 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 8引入开关控制后的滑移率图t ( s )Sb 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 35 图 4.16（ a） 开关控制 ABS 滑移率 Sb 变化曲线 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4051015202530引入开关控制后的车速与轮速之间的关系图t ( s )V/Vw (m/s) 图 4.16（ b） 开关控制 ABS 车轮速度 wr， 车身速度 v 变化曲线 0 0 . 5 1 1 .

85、5 2 2 . 5 3 3 . 5 400 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 9引入开关控制后的附着系数曲线图t ( s )ub 图 4.16（ c）开关控制 ABS 路面附着系数 Ub 变化曲线 无锡太湖学院学士学位论文 36 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 405101520253035引入开关控制后的制动距离t ( s )S (m) 图 4.16（ d）开关控制 ABS 制动距离 S 变化曲线图 4.5.4 PID 控制 ABS 的仿真结果 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4

86、00 . 0 50 . 10 . 1 50 . 20 . 2 50 . 30 . 3 50 . 40 . 4 50 . 5引入 P I D 控制后的滑移率图t ( s )Sb 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 37 图 4.17（ a） PID 控制 ABS 滑移率 Sb 变化曲线 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4051015202530引入 P I D 控制后的车速与轮速之间的关系图t ( s )V/Vw (m/s) 图 4.17（ b） PID 控制车轮速度 wr，车身速度 v 变化曲线0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4

87、00 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 9引入 P I D 控制后的附着系数曲线图t ( s )ub 图 4.17（ c） PID 控制 ABS 路面附着系数 Ub 变化曲线 无锡太湖学院学士学位论文 38 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 40510152025303540引入 P I D 控制后的制动距离t ( s )S (m) 图 4.17（ d） PID 控制 ABS 制动距离 S 变化曲线图 4.6 不同情况下的组合分析 汽车 制动系统是 汽车 的一个重要组成部分，为了 保证它的各 功能实现，对于车辆制动

88、系统有几项性能要求。本文从 汽车的制动距离，车轮车速，地面附着系数，滑移率入手 来比较 ，进而 分析 不同 控制方式的效果 。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 39 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 300 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 91三种方式下滑移率的比较图t ( s )Sbw u A B SK a i g u a nP I D 图 4.18（ a） 三种不同情况下 滑移率 Sb 的比较 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 3 3 . 5 4010203040506070三种方式下制动距离的比较图t

89、( s )S (m)w u A B SK a i g u a nP I D 图 4.18（ b） 三种不同情况下 制动距离 S 的比较 无锡太湖学院学士学位论文 40 0 0 . 5 1 1 . 5 2 2 . 5 300 . 10 . 20 . 30 . 40 . 50 . 60 . 70 . 80 . 9三种方式下附着系数的比较图t ( s )Ubw u A B SK a i g u a nP I D 图 4.18（ c） 三种不同情况下 路面附着系数的比较 通过 三种不同情况下 滑移率曲线组合比较， 我们 可以清楚的看到， 在没有 ABS 制动的情况下 滑移率曲线振幅比较大，与最佳滑移率

90、的 的相差比较大 ，说明 此时汽车的防滑 能力比 较差。 同时与最佳 滑移率 相差大 也导致了 地面 附着系数的振幅也较大，地面制动力没有很好 的处于最大附着力附近，所以 导致汽车 制动距离较大 ； 而 PID 控制与开关控制 能将 滑移率基本 控制 在最佳滑移率附近，根据图可知，此时 路面 附着系数 比较大 ，增加了 汽车 防侧滑的能力，提高了汽车制动时方向 上的操控 性。 同时路面 附着系数曲线基本落在最大值附近，此情况下，汽车受到的地面制动力较大，制动距 离也就较短 ，制动效果就越明显。 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 41 5 总结 与展望 总结 本文以汽车防抱死制动系统 （简称

91、 ABS） 的控制作为研究对象，采用不同的控制 方法进行了设计，所做的工作 及其得到的总结 如下： 通过此次毕业设计我 重点学习了 ABS 的工作原理并建立 了其 动力学 的 模型，其中包括车辆制动系统模型 ， 四分之一车辆模型，轮胎模型。为了 更好，更方便的 研究 ABS 系统制动 的效果作用 ，本文以滑移率为控制目标， 利用 Matlab/Simulink 仿真软件 ，采用 单轮 车辆系统建立车轮运动的动力学模型，其中包括轮胎模型模块、制动 系统模型模块，以及滑移率模型模块。制动控制采用 了包括 PID 控制、开关控制等控制方式，利用所建立的车辆制动模型 放在 simulink 中 进行制

92、动仿真，仿真出的制动距离曲线、轮速与车速关系曲线、滑移率曲线 、附着系数曲线 效果， 同时建立在无 ABS 情况下的模型，并仿真出制动距离曲线、车速与轮速关系曲线、滑移率曲线、附着系数曲线。 通过对比普通制动系统和有 ABS 制动系统的仿真曲线，我们可得出以下结论： 1. ABS 制动系统 能够减少 刹车 的 时间，从而 减少 刹车 的 距离。 2.在无 ABS 制动时，车轮迅速抱死；而有 ABS 制动系统制动时 ，车轮无抱死现象。 3. ABS 能 很好的把 滑移率 控制 在最佳滑移率附近。 4. ABS 能 使 路面附着系数达到 较为理想的 最大值。 5. 同 无 ABS 制动系统相比，

93、ABS 制动系统在制动时，会提供一个较大的制动力，制动状况比较好。 6. 本仿真实验所得的附着系数与滑移率曲线与 预期的效果相同 。 通过对比仿真结果可知 ABS 防抱死制动系统不仅能够达到防止车轮在制动过程时抱死的目的，还能准确控制车轮的运动状态，因此 ABS 在汽车 制动过程 中起着相当大的安全性作用 。 展望 目前 ABS 技术虽已趋于成熟但仍有相当大的发展空间，其控制方法 仍然需要优化；同时将 ABS 系统与汽车其他部件结合是其发展的方向。防抱死系统的控制 是 汽车综合控制的一个方面。 所以， ABS 研究工作需要与其他部件综合起来寻求整体优化。 今后的 ABS，一方面是提高技术性能，

94、使其趋于完善；二是进一步的系统简化，使之向小型，轻量化方向发展。这两项将会是汽车 ABS 今后的发展方向。我们可以预计 21 世纪汽车的发展即是是电子控制的发展，汽车在电子系统控制下将变得更加环保、安全与舒适。 无锡太湖学院学士学位论文 42 致 谢 本文是在 陈炎冬 老师精心指导和大力支持下完成的。 陈 老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神 、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。 他 渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了关于 Matlab 软件 的知识， 实践 技能有了很大的提高。 在毕设即将完成之

95、际，我的心情久久无法平静，从开始选题到顺利论文完成，有不知多少多少可敬的师长、同学、朋友给了我无数的帮助。感谢同组毕设成员的热心协助。同时也要感谢信机系 09 级机械 92 班全体同学，正是由于你们的帮助和支持，我才能一个一个克服困难、解明疑惑，直至本文顺利完成，在这里请接受 我诚挚的谢意！ 汽车防抱死制动系统的控制方法仿真研究 43 参考文献 1 李劲松 周孔亢 , 车辆 ABS 控制算法的研究及探讨 ,拖拉机与农用运输车 J, 2005 年 02 期 . 2 郑太雄 马付雷 , 基于逻辑门限值的汽车 ABS 控制策略 J,交通运输工程学报 ,2010 年 02 期 . 3 孙仁云 郭辛 龙

96、行现 ,基于门限值控制的汽车 ABS 控制器的研制 J,西南交通大学学报 ,2003 年 04期 . 4 冷雪 李文娟 王旭东等，汽车防抱死制动系统三种控制算法制动性能比较，自动化技术与应用， 2009年 02 期 . 5 冯道宁 ,刘昭度 . 尚秉旭基于动力学模型的车辆防抱死制动系统仿真 . 机械设计与制造 , 2011 年 09期 . 6 刘天浪 . ABS 的组成和控制原理 ,交通科技与经济 ,2009 年 05 期 . 7 李建勋 张春化，速度分段在 ABS 逻辑门限值控制法中的研究与应用，汽车技术 , 2004 年 第 11 期 . 8 薛定宇，陈阳泉著 . 基于 matlab/si

97、mulink 的系统仿真技术与应用 M.清华大学出版社， 2002 年 4 月 . 9 黎盛寓 谭克城 主编 , 汽车底盘电子控制技术 M,北京 :北京理工大学出版社 ,2010. 10 李果 编著 ,车辆防抱死制动控制理论与应用 M, 北京 :国防工业出版社 ,2009. 11 Mirzaei A， Moallem M， Dehkordi B M, Design of an Optimal Fuzzy Controller for Antilock Braking 12 Oxford,RL.language learning Strategies:What Every Teacher Sho

98、uld Know M.Newbury House /Harper Collins,NY,1990. 13 Andrew D.Cohen.Strategies in Learning and using a Second language J.Foreign Language Teacning and Research Press,2000.10. 14 Rod Ellis.Understanding Second Language Acquisition M.Shanghai Foreign Education Press,2004.5. 15 Oxford RL.Employing a questionnaire to assess the use of Language Learning Strategies.Applied Language Learning,1996a,7(1.2)25.45.ystems. IEEE Transactions on Vehicular Technology, Volume: 55 , Issue: 6 1725 . 1730.